繞軸旋轉翼型結冰分布的結冰風洞試驗研究

李巖， 王紹龍， 馮放， 郭文峰， 田川公太朗

(1.東北農業大學 工程學院，黑龍江 哈爾濱 150030； 2.寒地農業可再生資源利用技術與裝備重點實驗室，哈爾濱 黑龍江 150030； 3.東北農業大學 理學院，黑龍江 哈爾濱 150030； 4.鳥取大學 地域學部，日本 鳥取 6808552)

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繞軸旋轉翼型結冰分布的結冰風洞試驗研究

李巖1，2， 王紹龍1， 馮放2，3， 郭文峰1，2， 田川公太朗4

(1.東北農業大學 工程學院，黑龍江 哈爾濱 150030； 2.寒地農業可再生資源利用技術與裝備重點實驗室，哈爾濱 黑龍江 150030； 3.東北農業大學 理學院，黑龍江 哈爾濱 150030； 4.鳥取大學 地域學部，日本 鳥取 6808552)

為研究風力機葉片翼型在旋轉狀態下的結冰分布規律，本文基于利用自然低溫的結冰風洞試驗系統，對NACA0018翼型和S809翼型進行了繞軸旋轉葉片結冰風洞試驗，建立了不規則冰形評價方法，對比分析了轉速、結冰時間、翼型等參數對葉片翼型結冰分布的影響。試驗結果表明：本試驗系統具有較好的可重復性，可適用于旋轉葉片翼型結冰特性研究；轉速對葉片翼型結冰形式影響顯著，而結冰時間對其影響不大，但會使結冰量增加；對稱翼型與非對稱翼型間結冰存在較明顯區別，非對稱翼型結冰會出現前緣結冰和尾緣結冰同時存在的情況。對于各結冰特征量，無因次結冰面積及無因次結冰駐點厚度隨結冰時間增加呈線性增長，但其他特征量隨時間變化較小；轉速對各結冰特征量有顯著影響；對于非對稱翼型在一定工況下會出現兩個結冰區域，需要增加額外的特征量來描述結冰特征。

風力機；翼型；結冰；繞軸旋轉；結冰風洞試驗；結冰分布

在當今能源短缺日漸凸顯，環境壓力日益增大的大背景下，風能作為一種清潔的可再生能源，正受到世界各國的廣泛關注。現代的大部分風力機是研究者們利用航空的空氣動力學技術，結合傳統的飛機機翼翼型工作原理，針對風力機大氣工作環境而設計研發的[1-3]。風力機高效工作具有兩個前提：優秀的風資源與高效的風能捕獲裝置。寒冷地區通常具有更好的風資源，該地區風速更大，空氣密度更高，但是該地區環境惡劣，這就為風力機設計提出了更高要求[4]。結冰問題是寒冷地區風力機設計面對的一個典型的挑戰，例如我國三北地區的風場冬季常面臨降雪結冰、南方高山風電場及沿海風場由于空氣中水氣含量較高或海浪飛濺形成水霧，造成風力機云霧結冰。結冰后風力機葉片外形發生改變，氣動特性受到破壞、載荷分布不均，輕則降低發電效率，重則造成風力機停機甚至發生安全事故[5-7]。

近年來，為研究風力機結冰，研究者們大多借鑒飛機結冰的研究方法，最常用的是CFD數值模擬法與結冰風洞試驗法。在數值計算方面，易賢等對二維翼型結冰及風力機結冰進行了計算[8-10]，鄧曉湖等進行了水平軸風力機葉片翼型結冰的數值模擬[11-12]，朱程香等進行了風力機葉片翼型的結冰數值模擬研究[13-14]；李巖等對風力機的結冰問題也進行了初步的研究[15-16]。然而風力機葉片做的是旋轉運動，而飛機機翼是平動飛行，雖然在風力機葉片氣動設計過程中常將其葉片翼型看作平動進行設計，但是在結冰過程中，液滴撞擊到風力機葉片并凝結的過程中始終受到旋轉的離心力作用，其結冰外形也相應的受到影響。針對風力機旋轉葉片結冰的試驗研究較計算研究相對很少，國外典型研究有Neil通對小型水平軸風力機結冰進行研究[17]，

Gillenwater等對結冰狀態下的風機性能進行評價[18]，Kraj等利用小型冰風洞研究了風力機葉片結冰過程[19]，HAN 等做過旋轉葉片結冰風洞試驗，但未能對冰形規律進行系統的分析[20]，國內對旋轉葉片結冰研究的相關報道較少，國內蔣興良等對小風力機結冰進行了研究[21-22]，李巖等對小型垂直軸風力機結冰進行了研究[23]。

為此，在前期研究的基礎上，基于自行開發設計的利用自然低溫的結冰風洞試驗系統，對繞軸旋轉的對稱翼型葉片及非對稱翼型葉片進行結冰試驗研究，在驗證試驗系統可靠性后，提出了針對不規則冰形的典型特征量的分析方法，并對在不同工況下兩種翼型葉片的結冰規律進行分析研究。

1 試驗設備與方法

1.1 試驗設備

旋轉葉片結冰試驗所采用的冰風洞試驗系統如圖1所示[24]，所采用的基礎風洞為日本鳥取大學工學部設計制造的開口射流式風洞，試驗段截面為0.6 m×0.6 m，風速范圍為1～15 m/s。在該風洞的吹出口處安裝了水霧噴射系統，在其后設置了噴霧段、混合段和試驗段。室外冷空氣由冷風段吸入后，在噴霧段與噴霧系統噴出的過冷水滴在混合段充分混合，然后作用于試驗段的試驗物上結冰。

圖1 結冰風洞試驗系統Fig.1 Experiment system of icing wind tunnel

系統試驗臺如圖2所示，調頻電機、力矩儀與轉軸同軸連接，在轉軸端部連接旋轉梁，在旋轉梁的端部固裝試驗用葉片模型，其中調頻電機與力矩儀安裝在氣道外部，旋轉部分位于氣道內部，試驗過程中通過高速攝像機(美國Phantom v5.1，分辨率1 024×1 024像素)拍攝旋轉過程中結冰葉片圖像。

旋轉葉片結冰試驗所用的葉片模型如圖3所示，選用的翼型分別為NACA0018翼型和S809翼型，所采用的材質為實心鋁制，葉片弦長c為100mm。

1.2 試驗方法

旋轉葉片結冰試驗運動參數如圖4所示，試驗在2015年冬季進行，其中結冰風洞的相關參數標定方法在作者的前期研究中已給出介紹，主要包括試驗段溫度穩定性驗證，試驗段截面液態水含量分布標定及過冷水滴直徑標定。確定試驗條件為：結冰溫度，T=-8℃；來流風速，U=4.54 m/s；液態水含量，LWC=0.5 g/m3；過冷水滴平均粒徑，MVD=40 μm；繞軸旋轉直徑，D=0.5 m；選取了兩種直徑的葉片，分別為NACA0018翼型與S809翼型；選取了兩個結冰時間：t=5 min和t=10 min；選取了4個旋轉速度ω分別為200、400、600、800r/min。

1.3 不規則冰形評價方法

常見的風力機葉片翼型分為對稱型與非對稱型，其結冰情況存在不同，最典型的區別是非對稱翼型在某些工況下其尾緣部分會出現單獨結冰，見圖5。對二維翼型的結冰形狀進行分析，可提煉出冰形幾何特征量。針對本研究中獲得的不規則冰形，對于對稱翼型的葉片結冰，采用結冰冰形面積S、駐點厚度σ、駐點偏轉角α、結冰上極限Lu與結冰下極限Ld，見圖6(a)。對于非對稱翼型的葉片結冰，采用前緣結冰面積Sf、駐點厚度σf、駐點偏轉角α，結冰上極限Lu、結冰下極限Ld，后緣結冰面積Sb，后緣偏角β，后緣厚度σb及后緣極限Lb，見圖6(b)。

圖2 結冰測試試驗臺Fig.2 Test station for icing measurement

圖3 葉片模型Fig.3 Experimental model of blade

圖4 旋轉葉片運動參數Fig.4 Motion parameters of rotating blade

對于不同弦長的葉片，其結冰的特征量就無法相互比較，對其幾何特征量進行無量綱化，引入如下無因次參數，對于對稱翼型有

圖5 典型旋轉葉片結冰Fig.5 Typical icing on rotating blade

圖6 翼型結冰典型特征量Fig.6 Typical factors of blade icing

無因次結冰面積ηs：

(1)

無因次結冰駐點厚度ησ：

(2)

無因次結冰上極限ηLu：

(3)

無因次結冰下極限ηLd：

(4)

式中：A為翼型的面積，c為翼型的弦長。

對于非對稱翼型有：

無因次前緣結冰面積ηSf：

(5)

無因次結冰駐點厚度ησf：

(6)

無因次結冰上極限ηLu：

(7)

無因次結冰下極限ηLd：

(8)

無因次后緣結冰面積ηSb：

(9)

無因次后緣厚度ησb：

(10)

無因次后緣極限ηLb：

(11)

雖然對稱翼型和非對稱翼型的結冰特征量評價方法存在差異，但是根據其相關性對于相同部位的特征量可共同比較。其非對稱翼型無因次總結冰面積ηs可看作無因次前緣結冰面積ηSf與無因次后緣結冰面積ηSb的和，即

ηs=ηSf+ηSb

(12)

2 試驗結果與分析

2.1 葉片表面結冰分布

圖7所示為NACA0018鋁制葉片在不同轉速下結冰時間分別為5 min和10 min的葉片表面結冰分布情況。在相同的工況下，分別用3個葉片進行試驗，可知這3個葉片上的結冰分布基本一致，利用本試驗系統進行對稱翼型旋轉葉片的結冰試驗具有可重復性。

圖7 NACA0018翼型在不同轉速下的結冰分布情況Fig.7 Distributions of NACA0018 airfoil icing under different rotational speed

當其他條件相同，轉速不同時，葉片表面結冰情況不相同。1)當轉速為200 r/min時，結冰主要集中在迎風面，非迎風面結冰很少，迎風面結冰分布比較均勻，冰層厚度較一致，一直從前緣生長至尾緣。2)當轉速為400 r/min時，迎風面與非迎風面積冰發生變化，對于迎風面結冰仍然從前緣生長至尾緣，但是厚度不再一致，前緣厚度增加，尾緣厚度減小，非迎風面結冰開始向尾緣延伸。3)當轉速為600 r/min時，迎風面已經無法完全覆冰，冰層無法生長到尾緣部分，冰層厚度更加不一致，前緣部分結冰厚度要更大于后緣部分積冰，非迎風面結冰更像后延伸。4)當轉速為800 r/min時，結冰主要集中到了前緣部分，迎風面的結冰延伸距離變短，非迎風面的結冰延伸變長，前緣結冰厚度更厚。綜合對比可發現，隨著轉速的增加，迎風面結冰延伸變短，非迎風面結冰延伸變長，迎風面結冰延伸距離要大于非迎風面結冰延伸距離，迎風面結冰要更加平滑，非迎風面結冰在尾部會急劇收縮。隨著轉速增加，結冰厚度分布變得不均衡，前緣結冰的厚度增大，后緣結冰厚度減小。

當其他條件相同，結冰時間不同時，葉片表面結冰情況仍滿足上述結冰分布規律，所不同的是當葉片結冰時間由5 min增加到10 min時，葉片表面的結冰量增大，厚度增加，結冰在葉片表面的爬伸距離不能看出明顯變化。

圖8所示為S809實心鋁制葉片在不同轉速下結冰時間分別為5 min和10 min的葉片表面結冰分布情況。在相同工況下分別對3個葉片結冰進行試驗，可知這3種葉片結冰分布一致，利用本試驗系統進行非對稱翼型旋轉葉片結冰試驗具有可重復性。

當其他條件相同，轉速不同時，葉片表面結冰情況不同。1)當轉速為200 r/min時，結冰主要集中在迎風面且將其全部覆蓋，非迎風面很少，這與NACA0018翼型結冰趨勢相同，但是冰層厚度并不一致，其中前緣部分與尾緣部分的結冰厚度要大，中間部分結冰厚度要小。2)當轉速為400 r/min時，結冰不能將迎風面完全覆蓋，其中結冰由前緣部分延伸到葉片中部，同時在葉片尾緣部分出現結冰，同時葉片非迎風面結冰向后爬伸，迎風面前緣部分結冰厚度基本相同，到后部急速降低。3)當轉速為600 r/min時，結冰已經無法生長到尾緣部分，尾緣部分不再發生結冰，非迎風面結冰延生變長，這與對稱翼型結冰相同。4)當轉速為800 r/min時，葉片結冰主要集中在前緣部分，迎風面的結冰延伸變小，非迎風面的結冰延伸變大。綜合對比可以發現，隨著轉速的增加，迎風面首先會被結冰完全覆蓋，其后會出現前緣部分結冰和尾緣部分結冰，最后尾緣部分結冰消失，結冰全部出現在前緣部分，迎風面的結冰延伸距離要大于非迎風面。非對稱翼型迎風面與非迎風面結冰均不平滑，由前緣向后先是平滑過渡，在結束部位急劇收縮。

圖8 S809翼型在不同轉速下的結冰分布情況Fig.8 Distributions of S809 airfoil icing under different rotational speeds

當其他條件相同時，結冰時間不同，葉片表面仍滿足上述結冰分布規律，所不同的是當葉片結冰時間由5 min增加10 min時，葉片表面的結冰量增大，

厚度增加，結冰在葉片表面的爬伸距離不能看出明顯變化。

2.2 結冰特征量分析

為了定量的分析不同環境參數對葉片結冰的影響，根據葉片結冰評價方法，對葉片結冰的特征量進行分析。

2.2.1 無因次結冰面積分析

圖9給出了試驗所用的兩種葉片在不同工況下的無因次結冰面積ηs。總體來看，對于對稱翼型的葉片結冰，其在低轉速時結冰較少，隨著轉速增高，結冰呈現增長趨勢，而在達到一定轉速后又呈現降低趨勢。而對于非對稱翼型結冰，其在400r/min時結冰要大于200r/min，但是在600r/min時急劇下降，在800r/min時又出現了提升。這說明風機葉片的轉速對結冰面結的影響很大，主要表現在低轉速范圍內，隨著轉速增大，葉片的相對速度攻角變小，雖然相對于來流來說葉片的迎風面始終沒有發生變化，但是相對于葉片的相對速度而言，葉片的迎風面發生了變化，其水滴收集能力發生了變化，迎風面變化占主要因素；在高轉速范圍內，由于葉片運動相對速度攻角變化較小，迎風面的影響減弱，但是由于自身轉速較高，其收集水滴增強，轉速對結冰面積占主要因素。

考慮時間對無因次葉片結冰面積影響可發現，對于任意工況下葉片在10min的無因次結冰面積是5min無因次結冰面積的兩倍，可知在本文研究的結冰工況范圍內，葉片無因此結冰面積與時間的關系可看作是線性關系。

圖9 不同工況葉片無因次結冰面積Fig.9 Dimensionless icing area of blade under different working conditions

2.2.2 無因次駐點厚度分析

圖10給出了試驗所用的兩個葉片在不同工況下的無因次結冰駐點厚度ησ。總體而言，對于對稱翼型無因次結冰駐點厚度是隨著轉速呈現先增長后降低的趨勢。這是由于隨著旋轉速度的增大，葉片結冰由流線型冰向角狀型冰發展。對于非對稱翼型，其無因次結冰駐點厚度在低轉速時較小，隨著轉速增大，開始快速上升，但達到一定峰值時又開始降低，然后再繼續增加。出現上述情況的主要原因還是在于在低轉速范圍內迎風面起主要作用，在高轉速范圍內轉速起主要作用。

圖10 不同工況葉片無因次結冰駐點厚度Fig.10 Dimensionless icing stagnation thickness of blade under different working conditions

考慮時間對無因次駐點厚度的影響可知，對于任意工況下葉片在10min的無因次結冰駐點厚度是5min無因次結冰駐點厚度的兩倍，可知在本文研究的結冰工況范圍內，葉片的無因次結冰駐點厚度與時間的關系可看作是線性關系。

2.2.3 駐點偏轉角分析

圖11給出了試驗所用的兩個葉片在不同工況下的駐點偏轉角α。總體而言，隨著轉速的增加，駐點偏轉角呈現下降趨勢，說明偏轉角主要受到的是來流風速與自身轉速的影響，主要為來流風速與葉片圓周速度的合速度方向。

圖11 不同工況葉片結冰駐點偏轉角Fig.11 Blade icing stagnation angles under different working conditions

2.2.4 無因次結冰上、下極限分析

圖12給出了試驗所用的兩種葉片在不同工況下的無因次結冰上極限ηLu變化情況。可以發現對于對稱翼型而言，當轉速為200r/min與400r/min時，葉片的上極限覆蓋了葉片的迎風面輪廓，當轉速增加時，結冰上極限減小。對于非對稱翼型，在200r/min時葉片的上極限覆蓋了葉片的迎風面輪廓，當轉速增加時，結冰上極限逐漸減小，速度越大，其減小的趨勢越低。

圖13給出了試驗所用的兩種葉片在不同工況下的無因次結冰下極限ηLd。隨著轉速的增加，結冰下極限也在相應的增加。結冰下極限為旋轉葉片的非迎風面，隨著轉速的增加其相對速度攻角減小，結冰下極限增加。

綜合比較葉片無因次結冰上極限和無因次結冰下極限可以發現，這兩者不隨時間變化而變化。

2.2.5 非對稱翼型結冰評價

上述分析了對稱翼型和非對稱翼型結冰的具有相同特性的結冰特征量，但是當轉速為400r/min時非對稱翼型S809所結的不規則冰形將出現兩個結冰區域，即前緣結冰和尾緣結冰，結合非對稱翼型的不規則冰型評價方法，獲得400r/min時非對稱翼型S809的結冰特征量如表1所示。

圖12 不同工況葉片無因次結冰上極限Fig.12 Dimensionless icing upper limit of blade under different working conditions

圖13 不同工況葉片無因次結冰下極限Fig.13 Dimensionless icing lower limit of blade icing under different working conditions

t/minηSfησfα/(°)ηLuηLdηSbβ/(°)ησbηLb50.160.0714.890.490.080.0331.310.050.25100.330.1317.420.500.090.0733.510.100.35

對于表1中的數據，與對稱翼型相同的不再進行分析，僅對有差別的結冰特征量進行分析。其中，后緣偏轉角β隨著結冰時間的增大有少量增加，同時無因次后緣結冰極限ηLd也有增加，其主要原因在于隨著積冰的累積其結冰特征量發生變化，氣動外形也發生變化，其值也相應的有所提升。同時無因次后緣結冰厚度ησb的增加也驗證了上述觀點。

圖14給出了兩次結冰時間下無因次前緣結冰面積ηSf、無因次后緣結冰面積ηSb及無因次總結冰面積ηs的關系圖。可以發現無因次后緣結冰面積ηSf與無因次前緣結冰面積ηSb的比例變化較小，無因次前緣結冰面積ηSf要遠大于無因次后緣結冰面積ηSb。

圖14 前緣與后緣無因次結冰面積Fig.14 Dimensionless icing area at the leading and trailing edge of blade

3 結論

通過對NACA0018翼型和S809翼型進行的繞軸旋轉葉片結冰風洞試驗獲得的主要結論如下：

1)本試驗系統具有較高可重復性，可適用于對稱翼型與非對稱翼型的葉片結冰試驗研究；

2)旋轉葉片翼型的轉速不同，對結冰外形形式影響明顯，低轉速下葉片冰厚均勻，高轉速下葉片前緣結冰增加，尾緣結冰減少；結冰時間對葉片結冰外形形式影響較小，但是隨時間增加，葉片總量增加；對稱翼型與非對稱翼型間結冰存在較明顯區別，非對稱翼型結冰會出現前緣結冰和尾緣結冰同時存在的情況；

3)對于各結冰特征量，無因次結冰面積、無因次駐點厚度會隨著結冰時間的增加而呈線性增加，而其他結冰特征量隨時間變化較小；轉速不同對各結冰特征量有較明顯的影響，在很大程度上決定了其發展趨勢；對于非對稱翼型在一定工況下會出現兩個結冰區域，需要增加額外的特征量來分析結冰特征。

4)旋轉葉片的結冰風洞試驗結果還無法完全反應實際的風力機葉片結冰情況，但實現縮小后的旋轉葉片結冰風洞試驗并建立起與其相對應的評價方法，就可以在之后的工作中通過選取合適的試驗工況，利用相似準則的方法，對大型的風力機葉片結冰情況進行預測與分析，為大型風力機結冰研究提供試驗基礎。

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An icing wind tunnel experiment on the icing distribution of a blade airfoil rotating around a shaft

LI Yan1，2， WANG Shaolong1， FENG Fang2，3， GUO Wenfeng1，2， TAGAWA Kotaro4

(1.Engineering College， Northeast Agricultural University， Harbin 150030， China; 2.Key Laboratory of technology and equipment for the utilization of agricultural renewable resources in Cold Region， Harbin 150030， China; 3.College of Science， Northeast Agricultural University， Harbin 150030， China; 4.Faculty of Regional Sciences， Tottori University， Tottori 6808552， Japan)

To research the icing distribution characteristics on the surface of wind turbine blade airfoils under the rotating conditions， icing wind tunnel tests were performed on blades around a shaft using NACA0018 and S809 airfoils. The testing was based on a self-designed icing wind tunnel experimental system using natural low temperatures in a cold climate. Some typical factors describing icing distribution characteristics on blade airfoil surfaces and an evaluation method for the icing distribution on a blade airfoil were established. The effects of blade airfoil type， chord length， and rotational speed on the icing characteristics were compared. Results show that the system has high repeatability and can be used for icing experiments on the rotating blade airfoils of wind turbines. The rotation speed of the blade airfoil obviously affects ice formation. However， freezing time had little effect on ice formation but increased the amount of ice on the blade airfoil. Typical icing factors on the rotating blade show that the dimensionless icing area and the dimensionless thickness of stagnation increased linearly with the freezing time， while other factors did not change with increasing time. The rotational speed had a noticeable effect on all the typical blade icing factors， which led to the difference in icing characteristics on different parts of the blade on a horizontal wind turbine.

wind turbine; airfoil; icing; rotating around the axis; icing wind tunnel; icing distribution

2016-10-14.

日期：2017-03-17.

國家自然科學基金項目(51576037).

李巖(1972-)， 男， 教授，博士生導師.

李巖，E-mail：liyanneau@163.com.

10.11990/jheu.201610051

V211.73；V211.1

A

1006-7043(2017)04-0545-09

李巖， 王紹龍， 馮放，等.繞軸旋轉翼型結冰分布的結冰風洞試驗研究[J]. 哈爾濱工程大學學報， 2017， 38(4): 545-553.

LI Yan， WANG Shaolong， FENG Fang， et al.An icing wind tunnel experiment on the icing distribution of a blade airfoil rotating around a shaft[J].Journal of Harbin Engineering University， 2017， 38(4): 545-553.

網絡出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20170317.0858.008.html